Принцип работы диодов

Напівпровідниковий діод 

Напівпровідниковий діод - це електропреобразовательний напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома висновками, в якому використовуються властивості р-n-переходу. 
Напівпровідникові діоди класифікуються: 
1) за призначенням: випрямні, високочастотні та надвисокочастотні (ВЧ-і СВЧ-діоди), імпульсні,напівпровідникові стабілітрони (опорні діоди), тунельні, звернені, варикапи та ін; 
2) за конструктивно - технологічних особливостей: площинні і точкові; 
3) за типом вихідного матеріалу: германієві, кремнієві, арсенід - галієві та ін 

Малюнок 3.1 - Пристрій точкових діодів 
У точковому діоді використовується платівка германію або кремнію з електропровідністю n-типу (рис.3.1), товщиною 0,1 ... 0,6 мм і площею 0,5 ... 1,5 мм 2; з платівкою стикається загострена зволікання (голка) з нанесеною на неї домішкою. При цьому з голки в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, близько голки утворюється мініатюрний р-n-перехід напівсферичної форми. 
Для виготовлення германієвих точкових діодів до пластинки германію приварюють зволікання з вольфраму, покритого індієм. Індій є для германію акцептором. Отримана область германію р-типу є емітерний. 
Для виготовлення кремнієвих точкових діодів використовується кремній n-типу і зволікання, покритаалюмінієм, який служить акцептором для кремнію. 
У площинних діодах р-n-перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих часток квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди). 
Площинні діоди виготовляються методами сплаву (вплавлення) або дифузії (рис. 3.2). 

Рисунок 3.2 - Пристрій площинних діодів, виготовлених сплавним (а) і дифузійним методом (б) 
До платівки германію n-типу вплавляються при температурі близько 500 ° С краплю індію (рис. 3.2, а) яка, сплавляючись з германієм, утворює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішки, ніж основна пластинка, і тому є емітером. До основної платівці германію і до Індію припаюють вивідні зволікання, зазвичай з нікелю. Якщо за вихідний матеріал взято германій р-типу, то в нього вплавляються сурму і тоді виходить емітерна область n-типу. 
Дифузійний метод виготовлення р-n-переходу заснований на тому, що атоми домішки дифундують в основний напівпровідник (рис. 3.2, б). Для створення р-шару використовують дифузію акцепторного елемента (бору або алюмінію для кремнію, індію для германію) через поверхню вихідного матеріалу. 

Випрямні діоди 

Випрямний напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний. 
Випрямні діоди виконуються на основі р-n-переходу і мають дві області, одна з них є більш низкоомной (містить велику концентрацію домішки), і називається емітером. Інша область, база - більше високоомних (містить меншу концентрація домішки). 
В основі роботи випрямних діодів лежить властивість односторонньої провідності р-n-переходу, яке полягає в тому, що останній добре проводить струм (має малий опір) при прямому включенні і практично не проводить струм (має дуже високий опір) при зворотному включенні. 
Як відомо, прямий струм діода створюється основними, а зворотний - не основними носіями заряду. Концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків перевищує концентрацію не основних носіїв, чим і зумовлюються вентильні властивості діода. 
Основними параметрами випрямних напівпровідникових діодів є: 
· Прямий струм діода Іпр, що нормується при певному прямій напрузі (зазвичай Uпр = 1 ... 2В); 
· Максимально допустимий прямий струм Іпр мах діода; 
· Максимально допустимий зворотна напруга діода Uобр мах, при якому діод ще може нормально працювати тривалий час; 
· Постійний зворотній струм Iобр, що протікає через діод при зворотній напрузі, рівному Uобр мах; 
· Середній випрямлений струм Iвп.ср, який може тривало проходити через діод при допустимій температурі його нагрівання; 
· Максимально допустима потужність Pмах, що розсіюється діодом, при якій забезпечується задана надійність діода. 
За максимально допустимого значення середнього випрямленого струму діоди поділяються на малопотужні (Iвп.ср £ 0,3 А), середньої потужності (0,3 А <Iвп.ср £ 10А) та великої потужності (Iвп.ср> 10А). 
Для збереження працездатності германієвого діода його температура не повинна перевищувати +85 ° С. Кремнієві діоди можуть працювати при температурі до +150 ° С. 

Малюнок 3.3 - Зміна вольт - амперної характеристики напівпровідникового діода від температури: а - для германієвого діода; б - для кремнієвого діода 
Падіння напруги при пропущенні прямого струму у германієвих діодів становить DUпр = 0,3 ... 0,6 В, у кремнієвих діодів - DUпр = 0,8 ... 1,2 В. Великі падіння напруги при проходженні прямого струму через кремнієві діоди в порівнянні з прямим падіння напруги на германієвих діодах пов'язані з більшою висотою потенційного бар'єра р-n-переходів, сформованих в кремнії. 
Зі збільшенням температури пряме падіння напруги зменшується, що пов'язано зі зменшенням висоти потенційного бар'єру. 
При подачі на напівпровідниковий діод зворотного напруги в ньому виникає незначний зворотний струм, обумовлений рухом не основних носіїв заряду через р-n-перехід. 
При підвищенні температури р-n-переходу число не основних носіїв заряду збільшується за рахунок переходу частини електронів з валентної зони в зону провідності і освіти пар носіїв заряду електрон-дірка. Тому зворотний струм діода зростає. 
У випадку прикладання до діода зворотного напруги в декілька сотень вольт зовнішнє електричне поле в замикаючому шарі стає настільки сильним, що здатне вирвати електрони з валентної зони в зону провідності (ефект Зенера). Зворотний струм при цьому різко збільшується, що викликає нагрівання діода, подальшої зростання струму і, нарешті, тепловий пробій (руйнування) р-n-переходу. Більшість діодів може надійно працювати при зворотних напругах, що не перевищують (0,7 ... 0,8) Uпроб. 
Допустиме зворотне напруга германієвих діодів досягає - 100 ... 400В, а кремнієвих діодів - 1000 ... 1500В. 
Випрямні діоди застосовуються для випрямлення змінного струму (перетворення змінного струму в постійний); використовуються у схемах управління і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв'язки ланцюгів і т.д. 
У ряді потужних перетворювальних установок вимоги до середнього значення прямого струму, зворотної напруги перевищують номінальне значення параметрів існуючих діодів. У цих випадках завдання вирішується паралельним або послідовним з'єднанням діодів. 
Паралельне з'єднання діодів застосовують у тому випадку, коли потрібно отримати прямий струм, більший граничного струму одного діода. Але якщо діоди одного типу просто з'єднати паралельно, то внаслідок неспівпадання прямих гілок ВАХ вони виявляться різному навантаженими і, в деяких прямий струм буде більше граничного. 

Малюнок 3.4 - Паралельне з'єднання випрямних діодів 
Для вирівнювання струмів використовують діоди з малим розходженням прямих гілок ВАХ (виробляють їх підбір) або послідовно з діодами включають зрівняльні резистори з опором в одиниці Ом. Іноді включають додаткові резистори (рис. 3.4, в) з опором, у кілька разів більшим, ніж пряме опір діодів, для тогощоб струм у кожному діоді визначався головним чином опором Rд, тобто Rд>> Rпр вд. Величина Rд становить сотні Ом. 
Послідовне з'єднання діодів застосовують для збільшення сумарного допустимого зворотної напруги. При дії зворотної напруги через діоди, включені послідовно, протікає однаковий зворотний струм Iобр. проте зважаючи на відмінність зворотних гілок ВАХ загальну напругу буде розподілятися по діодів нерівномірно. До діоду, у якого зворотна гілка ВАХ йде вище, буде докладено більша напруга. Воно може виявитися вище граничного, що спричинить пробою діодів. 


Малюнок 3.5 - Послідовне з'єднання випрямних діодів 
Для того, щоб зворотне напруга розподілялося рівномірно між діодами незалежно від їх зворотних опорів, застосовують шунтування діодів резисторами. Опору Rш резисторів повинні бути однакові і значно менше найменшого із зворотних опорів діодів Rш <<rобр вд, щоб струм, що протікає через резистор Rш, був на порядок більше зворотного струму діодів. 

Стабілітрони 

Напівпровідниковий стабілітрон - це напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою слабо залежить від струму і який використовується для стабілізації напруги. 
У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n-переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n-перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і значне збільшення зворотного струму. 
Низьковольтні стабілітрони виготовляють на основі сильнолегированной (низкоомного) матеріалу. У цьому випадку утворюється вузький площинних перехід, в якому при порівняно низьких зворотних напругах (менше 6В) виникає тунельний електричний пробій. Високовольтні стабілітрони виготовляють на основі слаболегірованного (високоомного) матеріалу. Тому їх принцип дії пов'язаний з лавинним електричним пробоєм. 
Основні параметри стабілітронів: 
· Напруга стабілізації Uст (Uст = 1 ... 1000В); 
· Мінімальний Iст Міn і максимальний Iст мах струми стабілізації (Iст Міn »1,0 ... 10мА, Iст мах» 0,05 ... 2,0 А); 
· Максимально допустима розсіює потужність Рмах; 
· Диференціальний опір на ділянці стабілізації rд = DUст / DIст, (rд »0,5 ... 200Ом); 
· Температурний коефіцієнт напруги на ділянці стабілізації: 

TKU стабілітрона показує на скільки відсотків зміниться стабілізуючий напруга при зміні температури напівпровідника на 1 ° С 
(TKU = -0,5 ... +0,2% / ° С). 

Малюнок 3.6 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона і його умовне графічне позначення 
Стабілітрони використовують для стабілізації напруги джерел живлення, а також для фіксації рівнів напружень в різних схемах. 
Стабілізацію низьковольтного напруги в межах 0,3 ... 1В можна отримати при використанні прямої гілки ВАХ кремнієвих діодів. Діод, в якому для стабілізації напруги використовується пряма гілка ВАХ, називають Стабистор. Існують також двосторонні (симетричні) стабілітрони, що мають симетричну ВАХ щодо початку координат. 
Стабілітрони допускають послідовне включення, при цьому результуюче стабілізуючий напруга дорівнює сумі напруг стабілітронів: 
Uст = Uст1 + Uст2 + ... 
Паралельне з'єднання стабілітронів неприпустимо, тому що з-за розкиду характеристик і параметрів з усіх паралельно з'єднаних стабілітронів струм буде виникати тільки в одному, який має найменшу стабілізуючий напруга Uст, що викличе перегрів стабілітрона. 

Тунельні і звернені діоди 

Тунельний діод - це напівпровідниковий діод з урахуванням виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт - амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативного диференціального опору. 
Тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з дуже великою концентрацією домішок, тобто з дуже малою питомою опором. Такінапівпровідники з малим опором називають виродженими. Це дозволяє отримати дуже вузький р-n-перехід. У таких переходах виникають умови для відносно вільного тунельного проходження електронів через потенціальний бар'єр (тунельний ефект). Тунельний ефект призводить до появи на прямий галузі ВАХ діода ділянки з негативним диференціальним опором. Тунельний ефект полягає в тому, що при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії. 
Основні параметри тунельних діодів: 
· Піковий струм Iп - прямий струм у точці максимуму ВАХ; 
· Струм западини Iв - прямий струм в точці мінімуму ВАХ; 
· Ставлення струмів тунельного діода Iп / Iв; 
· Напруга піку Uп - пряму напругу, відповідне піковому струму; 
· Напруга западини Uв - пряму напругу, відповідне току западини; 
· Напруга розчину Uрр. 
Тунельні діоди використовуються для генерації та посилення електромагнітних коливань, а також у швидкодіючих перемикаючих та імпульсних схемах. 

Малюнок 3.7 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода 
Звернений діод - діод на основі напівпровідника з критичною концентрацією домішок, в якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі. 
Принцип дії зверненого діода заснований на використанні тунельного ефекту. Але у звернених діодах концентрацію домішок роблять менше, ніж у звичайних тунельних. Тому контактна різниця потенціалів у звернених діодів менше, а товщина р-n-переходу більше. Це призводить до того, що під дією прямого напруги прямої тунельний струм не створюється. Прямий струм у звернених діодах створюється інжекцією не основних носіїв зарядів через р-n-перехід, тобто прямий струм є дифузійним. При зворотній напрузі через перехід протікає значний тунельний струм, створюваний переміщення електронів крізь потенційний бар'єр з р-області в n-область. Робочим ділянкою ВАХ зверненого діода є зворотна гілка. 
Таким чином, звернені діоди мають випрямляючих ефектом, але пропускне (проводить) напрям у них відповідає зворотному включенню, а замикає (непроводящее) - прямому включенню. 

Малюнок 3.8 - Вольт-амперна характеристика зверненого діода 
Навернені діоди застосовують в імпульсних пристроях, а також в якості перетворювачів сигналів (змішувачів і детекторів) в радіотехнічних пристроях. 

Варикапи 

Варикап - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності від величини зворотного напруги і який призначений для застосування в якості елемента з електрично керованою ємністю. 
Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів є кремній. 
Основні параметри варикапів: 
· Номінальна ємність Св - ємність при заданому зворотній напрузі (Св = 10 ... 500 пФ); 
· Коефіцієнт перекриття по ємності  ; (Кс = 5 ... 20) - відношення ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотних напруг. 
Варикапи широко застосовуються в різних схемах для автоматичного підстроювання частоти, в параметричних підсилювачах. 

Малюнок 3.9 - Вольт-фарадні характеристика варикапа 

Розрахунок електричних ланцюгів з напівпровідниковими діодами

У практичних схемах в ланцюг діода включається будь-яка навантаження, наприклад резистор (рис. 3.10, а). Прямий струм проходить тоді, коли анод має позитивний потенціал щодо катода. 
Режим діода з навантаженням називають робочим режимом. Якби діод мав лінійним опором, то розрахунок струму в такій схемі не уявляв б труднощів, так як загальний опір кола дорівнює сумі опору діода постійному струму Rо і опору резистора навантаження Rн. Але діод має нелінійним опором, і значення Rо у нього змінюється при зміні струму. Тому розрахунок струму роблять графічно. Завдання полягає в наступному: відомі значення Е, Rн і характеристика діода, потрібно визначити струм в ланцюзі I і напруга на діоді Uд. 

Малюнок 3.10 
Характеристику діода слід розглядати як графік деякого рівняння, що зв'язує величини I і U. А для опору Rн подібним рівнянням є закон Ома: 
 (3.1) 
Отже, є два рівняння з двома невідомими I і U, причому одне з рівнянь дано графічно. Для розв'язання цієї системи рівнянь треба побудувати графік другого рівняння і знайти координати точки перетину двох графіків. 
Рівняння для опору Rн - це рівняння першого ступеня відносно I і U. Його графіком є ​​пряма лінія звана лінією навантаження. Вона будується за двома точками на осях координат. При I = 0 з рівняння (3.1) отримуємо: Е - U = 0 або U = Е, що відповідає точці А на рис. 3.10, б. А якщо U = 0, то I = E / Rн. відкладаємо цей струм на осі ординат (точка Б). через точки А і Б проводимо пряму, яка є лінією навантаження. Координати точки D дають рішення поставленої задачі. 
Слід зазначити, що графічний розрахунок режиму діода можна не робити, якщо Rн>> Rо. У цьому випадку допустимо знехтувати опором діода і визначати струм наближено: I »E / Rн. 
Розглянутий метод розрахунку постійної напруги можна застосувати для амплітудних або миттєвих значень, якщо джерело дає змінну напругу. 
Оскільки напівпровідникові діоди добре проводять струм в прямому напрямку і погано в зворотному, то більшість напівпровідникових діодів застосовується для випрямлення змінного струму. 
Найпростіша схема для випрямлення змінного струму показана на рис. 3.11. У ній послідовно з'єднаний джерело змінного ЕРС - е, діод VD і навантажувальний резистор Rн. Ця схема називається однополуперіодної. 
Робота найпростішого випрямляча відбувається наступним чином. Протягом одного напівперіоду напруга для діода є прямим і проходить струм, що створює на резисторі Rн падіння напруги UR. Протягом наступного напівперіоду напруга є зворотним, струму практично немає і UR = 0. Таким чином, через діод, навантажувальний резистор проходить пульсуючий струм у вигляді імпульсів, які тривають полперіода. Цей струм називають випрямленою струмом. Вінстворює на резисторі Rн випрямлена напруга. Графіки на рис. 3.11, б ілюструють процеси у випрямлячі. 

Малюнок 3.11 
Амплітуда позитивних півхвиль на діоді дуже мала. Це пояснюється тим, що коли проходить прямий струм, то більша частина напруги джерела падає на навантажувальному резистори Rн, опір якого значно перевищує опір діода. У цьому випадку 
 . (3.2) 
Для звичайних напівпровідникових діодів пряму напругу не більше 1 ... 2В. Наприклад, нехай джерело має чинне напруга Е = 200В та  . Якщо Uпр max = 2В, то UR max = 278В. 
При негативній полуволне напруги, що підводиться струму практично немає і падіння напруги на резисторі Rн дорівнює нулю. Вся напруга джерела докладено до діода і є для нього зворотною напругою. Таким чином, максимальне значення зворотного напруги дорівнює амплітуді ЕРС джерела. 
Найпростіша схема застосування стабілітрона наведена на рис. 3.12, а. Навантаження (споживач) включена паралельно стабілітрону. Тому, в режимі стабілізації, коли напруга на стабілітроні майже постійно, таке ж напруга буде і на навантаженні. Зазвичай Rогр розраховують для середньої точки Т характеристики стабілітрона. 
Розглянемо випадок, коли Е = const, а Rн змінюється в межах від Rн min до Rн max .. 
Значення Rогр можна знайти за такою формулою: 
 (3.3) 
де Iср = 0,5 (Iст min + Iст max) - середній струм стабілітрона; 
Iн = Uст / Rн - струм навантаження (при Rн = const); 
Iн.ср = 0,5 (Iн min + Iн max), (при Rн = var), 
причому  і  . 

Малюнок 3.12 
Роботу схеми в даному режимі можна пояснити так. Оскільки Rогр постійно і падіння напруги на ньому, рівне (Е - Uст), також постійно, то і струм в Rогр, рівний (Iст + Iн.ср), повинен бути постійним. Але останнє можливо тільки в тому випадку, якщо струм стабілітрона I і струм навантаження Iн змінюються в однаковій мірі, але в протилежні сторони. Наприклад, якщо Iн збільшується, то струм I на стільки ж зменшується, а їх сума залишається незмінною. 
Принцип дії стабілітрона розглянемо на прикладі ланцюга, що складається з послідовно з'єднаного джерела змінної ЕРС - е, стабілітрона VD і резистора R (рис. 3.13, а). 
У позитивний напівперіод на стабілітрон подається зворотна напруга, і до величини напруги пробою стабілітрона всі напруга прикладається до стабілітрону, тому що струм в ланцюзі дорівнює нулю. Після електричного пробою стабілітрона напруга на стабілітроні VD залишається без змін і що все залишилося напруга джерела ЕРС буде докладено до резистору R. У негативний напівперіод стабілітрон включений в проводяться напрямку, падіння напруги на ньому порядку 1В, а решту напруга джерела ЕРС докладено до резистору R. 

Малюнок 3.13 

Светодиоды - маркировка, характеристика, подключение

  Цвет свечения светодиода зависит от добавок добавленных в полупроводник. Так, например, примеси алюминия, гелия, индия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Индий, галлий, азот заставляет светодиод светится от голубого до зеленного цвета. При добавке люминофора в кристалл голубого свечения, светодиод будет светиться белым светом. В настоящее время промышленность выпускает светодиоды свечения всех цветов радуги, однако цвет зависит не от цвета корпуса светодиода, а именно от химических добавок в его кристалле. Светодиод любого цвета может иметь прозрачный корпус.

Маркировка светодиодов

Рис. 1. Конструкция индикаторных 5 мм светодиодов

 В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор задает первоначальный угол рассеивания.

Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы . Доходит до линзы - и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы, на практике - от 5 до 160 градусов.

  Излучающие светодиоды можно разделить на две большие группы: светодиоды видимого излучения и светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона. Первые применяются в качестве индикаторов и источников подсветки, последние — в устройствах дистанционного управления, приемо-передающих устройствах ИК диапазона, датчиках.

Светоизлучающие диоды маркируются цветовым кодом (табл. 1). Сначала необходимо определить тип светодиода по конструкции его корпуса (рис. 1), а затем уточнить его по цветной маркировке по таблице.

 

       
Рис. 2. Виды корпусов светодиодов
            Таблица 1. Маркировка светодиодов

Светодиоды подключаются к источнику тока, анодом к плюсу, катодом к минусу. Минус (катод) светодиода обычно помечается небольшим спилом корпуса или более коротким выводом, но бывают и исключения, поэтому лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

 При отсутствии указанных меток полярность можно определить и опытным путём, кратковременно подключая светодиод к питающему напряжению через соответствующий резистор. Однако это не самый удачный способ определения полярности. Кроме того, во избежание теплового пробоя светодиода или резкого сокращения срока его службы, нельзя определять полярность «методом тыка» без токоограничивающего резистора. Для быстрого тестирования резистор с номинальным сопротивлением 1кОм подходит большинству светодиодов если напряжение 12V или менее.

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Почему? Как уже ясно из названия, светодиод это не выпрямительный диод, и, хотя свойство пропускать ток в одном направлении у них общее, между ними есть значительная разница. Для того, что светодиод излучал в видимом диапазоне, у него значительно более широкая запрещенная зона, чем у обычного диода. А от ширины запрещенной зоны напрямую зависит такой паразитный параметр диодов, как внутренняя емкость. При изменении направления тока, эта емкость разряжается, за какое-то время, называемое временем закрытия, зависящее от размеров этой емкости. Во время разряда емкости, светодиодный кристалл испытывает значительные пиковые нагрузки на протяжении гараздо большего времени, нежели обычный диод. При последующем изменении направления тока на "правильное” ситуация повторяется. Поскольку время закрытия / открытия у обычных диодов значительно меньше, необходимо использовать их в цепях переменного тока, включая последовательно со светодиодами, для снижения негативного влияния переменного тока на светодиодный кристалл. Если светодиодное изделие не имеет встроенной защиты от переполюсовки, то ошибка подключения также приведет к снижению срока службы. В некоторые светодиоды токоограничивающий резистор встроен "с завода” и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды встречаются довольно редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний токоограничивающий резистор.

Сразу следует предупредить: не следует направлять луч светодиода непосредственно в свой глаз (а также в глаз товарища) на близком расстоянии, что может повредить зрение.

Напряжение питания

 Две главных характеристики светодиодов это падение напряжения и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например, четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА. Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при котором наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется "рабочей” зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода.

Напряжение питания — параметр для светодиода неприменимый. Нет у светодиодов такой характеристики, поэтому нельзя подключать светодиоды к источнику питания напрямую. Главное, чтобы напряжение, от которого (через резистор) питается светодиод, было выше прямого падения напряжения светодиода (прямое падение напряжения указывается в характеристике вместо напряжения питания и у обычных индикаторных светодиодов колеблется в среднем от 1,8 до 3,6 вольт).

Напряжение, указанное на упаковке светодиодов — это не напряжение питания. Это величина падения напряжения на светодиоде. Эта величина необходима, чтобы вычислить оставшееся напряжение, «не упавшее» на светодиоде, которое принимает участие в формуле вычисления сопротивления резистора, ограничивающего ток, поскольку регулировать нужно именно его.

Изменение напряжение питания всего на одну десятую вольта у условного светодиода (с 1,9 до 2 вольт) вызовет пятидесятипроцентное увеличение тока, протекающего через светодиод (с 20 до 30 милиампер).

Для каждого экземпляра светодиода одного и того же номинала подходящее для него напряжение может быть разным. Включив несколько светодиодов одного и того же номинала параллельно, и подключив их к напряжению, например, 2 вольта, мы рискуем из-за разброса характеристик быстро спалить одни экземпляры и недосветить другие. Поэтому при подключении светодиода надо отслеживать не напряжение, а ток.

Величина тока для светодиода является основным параметром, и как правило, составляет 10 или 20 миллиампер. Неважно, какое будет напряжение. Главное, чтобы ток, текущей в цепи светодиода, соответствовал номинальному для светодиода. А ток регулируется включённым последовательно резистором, номинал которого вычисляется по формуле:

R - сопротивление резистора в омах.

Uпит - напряжение источника питания в вольтах.

Uпад - прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.

I - максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.

0,75 - коэффициент надёжности для светодиода.

Не следует также забывать и о мощности резистора. Вычислить мощность можно по формуле:

P - мощность резистора в ваттах.

Uпит - действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.

Uпад - прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .

R - сопротивление резистора в омах.

Расчет токогораничивающего резистора и его мощности для одного светодиода
Типичные характеристики светодиодов

Две главных характеристики светодиодов это напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

         Таблица падения напряжений светодиодов в зависимости от цвета

По величине падения напряжения при тестировании светодиодов мультиметром можно определить примерный цвет свечения светодиода согласно таблице.

Последовательное и параллельное включение светодиодов

При последовательном подключении светодиодов сопротивление ограничивающего резистора рассчитывается также, как и с одним светодиодом, просто падения напряжений всех светодиодов складываются между собой по формуле:

При последовательном включении светодиодов важно знать о том, что все светодиоды, используемые в гирлянде, должны быть одной и той же марки. Данное высказывание следует взять не за правило, а за закон.

Что б узнать какое максимальное количество светодиодов, возможно, использовать в гирлянде, следует воспользоваться формулой

Где:

* Nmax – максимально допустимое количество светодиодов в гирлянде

* Uпит – Напряжение источника питания, например батарейки или аккумулятора. В вольтах.

* Uпр - Прямое напряжение светодиода взятого из его паспортных характеристик (обычно находится в пределах от 2 до 4 вольт). В вольтах.

* При изменении температуры и старения светодиода Uпр может возрасти. Коэфф. 1,5 дает запас на такой случай.

При таком подсчете "N” может иметь дробный вид, например 5,8. Естественно вы не сможете использовать 5,8 светодиодов, посему следует дробную часть числа отбросить, оставив только целое число, то есть 5.

Ограничительный резистор, для последовательного включения светодиодов рассчитывается точно также как и для одиночного включения. Но в формулах добавляется еще одна переменная "N” – количество светодиодов в гирлянде. Очень важно чтобы количество светодиодов в гирлянде было меньше или равно "Nmax”- максимально допустимому количеству светодиодов. В общем, должно выполнятся условие: N =< Nmax

Теперь приведем модернизированные формулы расчета под последовательное включение.

Все остальные действия по расчетам производятся в аналогии расчета резистора при одиночном включении светодиода.

 Если напряжения источника питания не хватает даже для двух последовательно соединённых светодиодов, тогда на каждый светодиод нужно ставить свой ограничительный резистор.

Параллельное включение светодиодов с общим резистором — плохое решение. Как правило, светодиоды имеют разброс параметров, требуют несколько различные напряжения каждый, что делает такое подключение практически нерабочим. Один из диодов будет светиться ярче и брать на себя тока больше, пока не выйдет из строя. Такое подключение многократно ускоряет естественную деградацию кристалла светодиода. Если светодиоды соединяются параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничительный резистор.

  

 Последовательное соединение светодиодов предпочтительнее ещё и с точки зрения экономного расходования источника питания: вся последовательная цепочка потребляет тока ровно столько, сколько и один светодиод. А при параллельном их соединении ток во столько раз больше, сколько параллельных светодиодов у нас стоит.

Рассчитать ограничительный резистор для последовательно соединённых светодиодов так же просто, как и для одиночного. Просто суммируем напряжение всех светодиодов, отнимаем от напряжения источника питания получившуюся сумму (это будет падение напряжения на резисторе) и делим на ток светодиодов (обычно 15 - 20 мА).

А если светодиодов у нас много, несколько десятков, а источник питания не позволяет соединить их все последовательно (не хватит напряжения)? Тогда определяем исходя из напряжения источника питания, сколько максимально светодиодов мы можем соединить последовательно. Например для 12 вольт - это 5 двух вольтовых светодиодов. Почему не 6? Но ведь на ограничительном резисторе тоже должно что-то падать. Вот оставшиеся 2 вольты (12 - 5х2) и берём для расчёта. Для тока 15 мА сопротивление будет 2/0.015 = 133 Ома. Ближайшее стандартное - 150 Ом. А вот таких цепочек из пяти светодиодов и резистора каждая, мы уже можем подключить сколько угодною Такой способ называется параллельно-последовательным соединением.

Если имеются светодиоды разных марок то комбинируем их таким образом что бы в каждой ветви были светодиоды только ОДНОГО типа (либо с одинаковым рабочим током). При этом необязательно соблюдать одинаковость напряжений, потому что мы для каждой ветви рассчитываем свое собственное сопротивление.

Далее рассмотрим стабилизированную схему включения светодиодов. Коснёмся изготовления стабилизатора тока. Существует микросхема КР142ЕН12 (зарубежный аналог LM317), которая позволяет построить очень простой стабилизатор тока. Для подключения светодиода (см. рисунок) рассчитывается величина сопротивления R = 1.2 / I (1.2 - падение напряжения не стабилизаторе) Т.е., при токе 20 мА, R = 1,2 / 0.02 = 60 Ом. Стабилизаторы рассчитаны на максимальное напряжение в 35 вольт. Лучше не напрягать их так и подавать максимум 20 вольт. При таком включении, например, белого светодиода в 3,3 вольта возможна подача напряжения на стабилизатор от 4,5 до 20 вольт, при этом ток на светодиоде будет соответствовать неизменному значению в 20 мА. При напряжении 20В получаем, что к такому стабилизатору можно подключить последовательно 5 белых светодиодов, не заботясь о напряжении на каждом из них, ток в цепи будет протекать 20мА (лишнее напряжение погасится на стабилизаторе).

Важно! В устройстве с большим количеством светодиодов протекает большой ток. Категорически воспрещается подключать такое устройство к включенному источнику питания. В этом случае, в месте подключения, возникает искра, которая ведет к появлению в цепи большого импульса тока. Этот импульс выводит из строя светодиоды (особенно синие и белые). Если светодиоды работают в динамическом режиме (постоянно включаются, выключаются и подмигивают) и такой режим основан на использовании реле, то следует исключить возникновение искры на контактах реле.

Каждую цепочку следует собирать из светодиодов одинаковых параметров и одного производителя.

Тоже важно ! Изменение температуры окружающей среды влияет на протекающий ток через кристалл. Поэтому желательно изготавливать устройство так, чтобы протекающий ток через светодиод был равен не 20мА, а 17-18 мА. Потеря яркости будет незначительная, зато долгий срок службы обеспечен.

 

Супрессор -защитный диод

Защитным диодом (супрессором) могут называть ограничительный стабилитрон, TVS-диод, трансил, ограничитель напряжения и т.п.

Супрессоры получили широкое распространение в импульсных блоках питания, где они выполняют функцию защиты от перенапряжения при дефектах импульсного блока питания. В этот статье подробно познакомимся с работой этого диода, изучим его принцип действия, а также разберемся в каких схемах и каким целям он служит.

 

      Историческая справка: Супрессор был открыт в 1968 году для защиты аппаратуры от разрядов атмосферного электричества. Приборы Они применяются для защиты оборудования связи от разрушающих действий молний. Кроме того их используют для защиты в авиационном оборудование. Сегодня применение супрессоров является отличным способом защиты электронных схем от электрических импульсов разной природы, будь то обычный скачок напряжения от попадания молнии или повышенное напряжение из-за дефекта блока питания

Принцип действия супрессора (TVS-диода)

У этого защитного полупроводника интересная нелинейная вольт-амперная характеристика. Если амплитуда импульса превышает справочные данные, то он уйдет в режим лавинного пробоя. То есть супрессор ограничит электрический импульс до паспортной величины, а лишнее перетечет на землю через него.

TVS-диод может быть несимметричным и симметричным. Первые используются для работы только в сетях постоянного тока, т.к в рабочем состоянии попускают ток только в одном направлении. Симметричные супрессоры пропускают ток в обои стороны, и поэтому способны работать в сетях переменного тока. Несимметричный защитный ограничитель включается в схему по направлению, противоположному при установке обычных диодов, то-есть анод подключается к отрицательной шине, а катод – к положительной.

В случае повышения входного уровня защитный полупроводник за очень короткое время резко снижает свое внутреннее сопротивление. Ток в цепи резко увеличивается и происходит перегорание предохранителя. Так как супрессор срабатывает почти моментально, то основная схема не успевает перегореть. Отличительной фишкой TVS-диодов считается очень низкое время реакции на превышение уровня напряжения.

Основные электрические параметры супрессоров

 

U проб. (В) – напряжение пробоя. В отдельных справочниках обозначается как V_BR. При этом напряжении диод резко открывается и уводит потенциал на общий провод.
I обр. (мкА) Это значение максимального обратного тока утечки. Он достаточно мал и практически не оказывает влияния на работу устройства.(I_R)
U обр. (В) – постоянное обратное напряжение. (V_RWM). 

U огр. имп. (В) – максимальное импульсное напряжение ограничения. (V_CLили V_C – Max.) 

I огр. мах. (А) – максимальный пиковый импульсный ток. (I_PP). Говорит о том, какое максимальное значение импульса тока способен выдержать защитный диод без разрушения. Для мощных супрессоров это номинал может доходить до нескольких сотен ампер.
P имп. (Ватт) – максимальная допустимая импульсная мощность.

 

Огромным минусом супрессоров можно считать сильную зависимость максимальной импульсной мощности от продолжительности импульса. ТVS-диоды выпускаются с различными уровнями мощности. Однако, если этих номиналов недостаточно, то мощность можно увеличить, соединив последовательно несколько полупроводников. Так, при соединении двух, их общая мощность увеличивается в два раза.

Использовать ограничительные диоды можно и в роли стабилитронов. Но чтобы включать TVS-диоды таким образом в схему, требуется проверить справочные данные о значениях максимально рассеиваемой мощности, а также динамического сопротивления в условиях максимальных и минимальных возможных токов.

Супрессоры отличаются высоким показателем быстродействия. Время их срабатывания настолько мало, что импульсы "плохого" тока не успевают нанести повреждений оборудованию.

Защитный диод